новый радиационно-стойкий пластмассовый сцин тиллятор ups

УДК 539.1.074
НОВЫЙ РАДИАЦИОННО-СТОЙКИЙ ПЛАСТМАССОВЫЙ СЦИН­
ТИЛЛЯТОР UPS-98RH ДЛЯ АДРОННЫХ КАЛОРИМЕТРОВ
В.Г. Сенчишин, В.Н. Лебедев, Н.П. Хлапова, А.Ф. Ададуров
ИСМА НТК «Институт монокристаллов» НАН, г. Харьков, Украина
Представлен новый радиационно-стойкий пластмассовый сцинтиллятор (ПС) UPS98RH на основе поли­
стирола с добавлением пластификатора, выполняющего функцию усилителя диффузии кислорода и продук­
тов радиолиза в полистирольной матрице. Проведена серия экспериментов по облучению различных типов
ПС при разных дозах и мощностях доз. Облучение проводилось гамма-излучением до дозы 10 Мрад при
мощности дозы 0,02 и 2 Мрад/ч. Наблюдалась сильная зависимость степени радиационных повреждений от
мощности дозы. Показано, что новый радиационно-стойкий сцинтиллятор UPS-98RH, разработанный в НТК
«Институт монокристаллов», имеет наибольшую радиационную стойкость по сравнению с известными ПС SCSN-81T (Kuraray, Япония), BC-408 (Bicron, США), UPS923A (Amcrys-H, Украина) и не чувствителен к
эффектам мощности дозы. Это качество позволило использовать сцинтиллятор UPS98RH в критических зо­
нах детектора CMS.
ВВЕДЕНИЕ
Настоящее исследование выполнено в связи с
изготовлением сцинтилляционных детектирующих
пластин (тайлов) для торцевого адронного калори­
метра (Hadron Endcap (НЕ)) детектора CMS [1].
Отдельные тайлы расположены вблизи оси пучка,
где интенсивность частиц велика и соответственно
велики дозовые нагрузки. За 10 лет работы CMS-де­
тектора суммарная доза достигает 10 Мрад при
средней мощности дозы (МД) 1 Мрад/год или
0,0001 Мрад/ч.
В НТК «Институт монокристаллов» разработан
новый
радиационно-стойкий
сцинтиллятор
UPS98RH. Отличительной особенностью UPS98RH
является присутствие в его составе пластифицирую­
щей добавки, выполняющей функцию усилителя
диффузии. В таком пластмассовом сцинтилляторе
(ПС) радиационные повреждения быстро восстанав­
ливаются уже в процессе облучения благодаря
многократно ускоренной диффузии продуктов ра­
диолиза и кислорода.
ЭКСПЕРИМЕНТ. ОБРАЗЦЫ
Исследовались
сцинтилляторы
SCSN-81T
(Kuraray, Япония), BC-408 (Bicron, США), UPS923A
(Amcrys-H, Украина) и сцинтиллятор с пластифика­
тором UPS98RH (Amcrys-H, Украина).
Были изготовлены образцы в виде стрипов 9×20×
200 мм и прямоугольных тайлов 4×125×125 мм. Все
грани стрипов полировались до оптической чисто­
ты.
Тайлы вырезались из 4 мм пластин и имели для
световода канавку стандарта CMS типа «замочная
скважина». В качестве спектросмещающих светово­
дов (WLS-fiber) использовалось оптическое волокно
Y11 фирмы Kuraray c полированными торцами.
На стрипах исследовалось влияние гамма-излу­
чения на техническую и объемную длину ослабле­
160
ния (TAL и BAL) и коэффициент внутреннего отра­
жения R, на тайлах – на световыход.
ИЗМЕРЯЕМЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Техническая длина ослабления (TAL) измерялась
в режиме постоянного тока с ФЭУ типа Hamamatzu
R1307. Для возбуждения использовался бета-источ­
ник 90Sr с 6 мм коллиматором. С целью увеличения
точности измерений дальний от ФЭУ торец стрипа
зачернялся.
Объемная длина ослабления (BAL) и коэффици­
ент внутреннего отражения R измерялись на пучке
лазера на парах кадмия с длиной волны 441 нм.
Световыход системы тайл/WLS-fiber измерялся
на космических мюонах по стандартной схеме. Све­
товод Y11 не облучался, задний торец не зазеркали­
вался.
ОБЛУЧЕНИЕ
Образцы облучались гамма-излучением радиону­
клида 60Co дозами 3 и 10 Мрад при мощности дозы
(МД) 0,02 Мрад/ч на установке «Исследователь»
Харьковского национального университета им. В.Н.
Каразина и тормозным излучением пучка ускорите­
ля электронов с энергией 20 МэВ с мощностью дозы
2 Мрад/ч в НТЦ ХФТИ. Дозиметрия осуществля­
лась водоэквивалентными пленочными детекторами
с погрешностью ±10%. Все эксперименты выполне­
ны на воздухе при температуре 20ºС.
РЕЗУЛЬТАТЫ.
ОБЪЕМНАЯ ДЛИНА ЗАТУХАНИЯ (BAL)
На рис. 1 приведена зависимость объемной дли­
ны затухания (BAL) от продолжительности выдерж­
ки после облучения стрипов дозой 10 Мрад при
мощности дозы 0,02 Мрад/ч.
Сразу после облучения у всех образцов ПС, кро­
ме UPS98RH, наблюдается сильное окрашивание в
желтый цвет. При этом все образцы имели припо­
верхностную зону просветления. В сцинтилляторе
_________________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. № 3.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (86), с. 160-163.
UPS98RH эта зона не наблюдалась ни сразу после
облучения, ни в период восстановления.
Как видно из рис. 1, в результате облучения BAL
образцов SCSN-81T, BC-408, UPS923A уменьшается
более чем на порядок (от 150 см до примерно 1…2
см). Уменьшение BAL образцов UPS98RH оказалось
наименее значительным – от 170 до 17 см. В течение
первых 30 дней после облучения происходит неко­
торое восстановление BAL, а затем прозрачность
всех стрипов начинает снова уменьшаться.
1000
UPS98RH
SCSN81
BC-408
UPS923A
BAL, см
100
больше, чем у ВС-408. Такое резкое снижение TAL
при 10 Мрад у ВС-408 (всего 5 см) может быть свя­
зано либо с уменьшением объемной прозрачности
сцинтиллятора (т.е. пожелтением), либо с ухудше­
нием отражательной способности его поверхности.
Для выяснения вклада каждого из этих факторов
были выполнены измерения зависимости BAL и ко­
эффициента внутреннего отражения R от дозы облу­
чения.
На рис. 3 приведена зависимость BAL от дозы
облучения для тех же стрипов. При дозе 10 Мрад
значения BAL сцинтилляторов SCSN-81T, BC-408 и
UPS923A становятся близкими (около 10 см), за ис­
ключением сцинтиллятора с пластификатором
UPS98RH, у которого BAL почти в 2 раза больше
(24 см).
1000
10
S C S N -8 1
B C -4 0 8
U P S -9 2 3 a
0.1
1
10
t, сутки
100
U P S -9 8 R H
B A L, см
1
1000
Рис. 1. Зависимость BAL от времени отжига после
облучения дозой 10 Mрад при мощности дозы
0.02 Mрад/ч
100
На рис. 2 показана зависимость TAL стрипов от
дозы облучения.
Техническая длина ослабления (TAL)
UPS-99RH
SCSN-81
UPS-923a
BC-408
2
4
6
Д о за , M р а д
8
10
На рис. 4. представлена зависимость коэффици­
ента внутреннего отражения R от дозы облучения
для тех же образцов.
TAL, см
40
0
Рис. 3. Зависимость BAL от дозы облучения (мощ­
ность дозы 2 Mрад/ч) после отжига
в течение 30 дней
60
50
10
1.1
30
1
20
0.9
0.8
R, отн. ед.
10
0
0
2
4
6
Доза, Мрад
8
10
Рис. 2. Зависимость TAL от дозы облучения
при мощности дозы 0.02 Mрад/ч
после выдержки 270 сут
До облучения наименьшее значение TAL было у
стрипа из UPS98RH. Но после облучения при дозе
более 2 Мрад значение TAL этого стрипа, наоборот,
оказалось самым большим. После облучения более
высокой дозой – 10 Мрад техническая длина ослаб­
ления UPS98RH составляет 17,5 см, т.е. примерно в
полтора раза больше, чем у SCSN-81 и в три раза
161
UPS98RH
SCSN-81
UPS923A
BC-408
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0
2
4
6
8
10
Доза, Mрад
Рис. 4. Зависимость коэффициента внутреннего
отражения R под углом 5° от дозы при мощности
дозы 0,02 Mрад/ч после отжига 670 сут
Измерения выполнены через 670 сут после облу­
чения. Привлекает внимание резкое ухудшение от­
_________________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. № 3.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (86), с. 160-163.
центрации кислорода в полимерных сцинтилляторах
(ПС) происходит более эффективное образование
устойчивых центров окраски (не отжигающихся со
временем). Полученные в этой работе данные при­
ведены на рис. 6 в виде зависимости BAL от мощно­
сти дозы для сцинтилляторов SCSN-38, SCSN-81 и
BC-499-35.
Из рисунка видно, что для ВС-499 при уменьше­
нии мощности дозы на два порядка BAL уменьшает­
ся на порядок, а для SCSN81 всего лишь в два раза.
На основании этих данных можно сделать вывод,
что эффект мощности дозы значителен и различен
для разных типов сцинтилляторов. Поэтому нами
были проведены эксперименты по исследованию за­
висимости BAL от мощности дозы для других сцин­
тилляторов.
100
BC-499-35
SCSN-38
SCSN-81
BAL, см
ражающей способности даже необлученного образ­
ца ВС-408 (R = 0,17), что можно объяснить появле­
нием трещин серебра. Признаки серебрения наблю­
дались даже на необлученных образцах ВС-408 уже
через несколько месяцев после снятия защитного
фирменного покрытия. Сразу после облучения до­
зой 10 Мрад на поверхности образцов ВС-408 нево­
оруженным глазом можно было наблюдать трещины
серебра. Через 670 дней у сцинтиллятора с пласти­
фикатором UPS98RH, облученного дозой 10 Мрад,
коэффициент отражения R также уменьшается и
становится равным 0,62. На поверхности этих образ­
цов возникает матовая пленка светло-коричневого
цвета.
В то же время коэффициенты внутреннего отра­
жения остальных образцов меняются незначитель­
но. Таким образом, ухудшение TAL сцинтиллятора
BC-408 связано не столько с уменьшением объем­
ной длины затухания (пожелтением), а в основном с
ухудшением отражательной способности его по­
верхности в результате возникновения микротре­
щин серебра.
На рис. 5 показана зависимость световыхода
тайлов от дозы облучения.
10
Световой выход, фотоэлектроны
4
UPS-98RH
BC-408
UPS-923A
SCSN-81
3
1
0.001
2
0.100
1.000
10.000
Мощность дозы, Mрад/час
Рис. 6. Зависимость BAL от мощности дозы при
дозе облучения 10 Mрад. Измерения проводились по­
сле 7-дневного отжига
1
0
0
2
4
6
Доза, Mрад
8
10
Рис. 5. Зависимость светового выхода системы
тайл-световод от дозы облучения. Измерено через
270 дней после облучения
На рис. 7 приведена зависимость BAL от мощно­
сти дозы для стрипов, облученных дозой 10 Мрад.
Измерения выполнены через 670 дней после облуче­
ния. Качественно эти результаты хорошо согласуют­
ся с данными работы [2]. Необычным является от­
сутствие зависимости BAL от мощности дозы для
стрипа из UPS98RH.
При дозе 10 Мрад световыход всех тайлов
уменьшился почти в 8 раз. При этом световыход
тайла UPS-98RH оказался в 1,4 раза больше, чем у
тайла ВС-408.
25
20
BAL, см
ЭФФЕКТ МОЩНОСТИ ДОЗЫ
Как уже было отмечено, при работе CMS ожида­
емая мощность дозы составит 10 Мрад за 10 лет, что
составляет 1 Мрад/год или 0,0001 Мрад/ч. Это вы­
зывает существенные затруднения при исследова­
нии радиационной стойкости, так как необходимо
учитывать влияние мощности дозы, потому что для
ускорения испытаний используются мощности доз
на 3-5 порядков выше. Эффект мощности дозы ра­
нее исследовался в работе [2], в которой показано,
что при естественной (равновесной в воздухе) кон­
162
0.010
15
10
BC-408
UPS99RH
5
UPS923A
SCSN-81T
0
0.010
0.100
1.000
Мощность дозы, Mрад/час
10.000
Рис. 7. Зависимость BAL от мощности дозы при
дозе облучения 10 Mрад. Измерения проводились по­
сле 670-дневного отжига
_________________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. № 3.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (86), с. 160-163.
Этот эффект, как и отмеченный выше эффект от­
сутствия зоны просветления у этого сцинтиллятора,
вызван присутствием пластификатора. Пластифика­
тор – это вещество, не взаимодействующее с поли­
стирольной матрицей, которое во много раз усили­
вает диффузию продуктов радиолиза. Поэтому та­
кие пластификаторы называют также усилителями
диффузии.
Благодаря усилителю диффузии сцинтиллятор
UPS98RH имеет более высокую радиационную
стойкость по сравнению с известными коммерчески­
ми пластмассовыми сцинтилляторами.
2. Новый радиационно-стойкий сцинтиллятор
UPS-98RH имеет наибольшую радиационную стой­
кость по сравнению SCSN-81T (Kuraray, Япония),
BC-408 (Bicron, США), UPS923A (Amcrys-H, Украи­
на) и нечувствителен к эффектам мощности дозы.
3. Изменение световыхода тайлов UPS98RH при
дозе облучения 10 Мрад и мощности дозы 0,02
Мрад/ч оказалось в 1,4 раза меньше, чем у тайла
ВС-408. Это качество позволило использовать сцин­
тиллятор UPS98RH в критических зонах детектора
CMS.
ЛИТЕРАТУРА
ВЫВОДЫ
1.The Compact Muon Solenoid. Technical Proposal.
1. Во всех исследованных ПС, за исключением
UPS98RH, наблюдалась сильная зависимость степе­
ни радиационных повреждений от времени облуче­
ния, т.е. от мощности дозы.
CERN/LHCC 94-38. LHCC/Р-1, 15 December 1994.
2.E. Biagtan, E. Goldberg, J. Harmon, and R. Stephens.
Effect of gamma radiation dose rate on the light output
of commercial polymer scintillators //Nuclear
Instruments & Methods. 1994, v. B93,
p. 296–301.
НОВИЙ РАДІАЦІОННО-СТІЙКИЙ ПЛАСТМАСОВИЙ СЦИНТИЛЯТОР UPS-98RH ДЛЯ АДРОН­
НЫХ КАЛОРИМЕТРІВ
В.Г. Сенчишин, В.Н. Лебедев, Н.П. Хлапова, А.Ф. Ададуров
Представлено новий радіаційно-стійкий пластмасовий сцинтилятор (ПС) UPS98RH на основі полістиролу з додаван­
ням пластифікатора, що виконує функцію підсилювача дифузії кисню і продуктів радіолізу в полістирольній матриці.
Проведено серію експериментів по опроміненню різних типів ПС при різних дозах і потужностях доз. Спостерігалася
сильна залежність ступеня радіаційних ушкоджень від потужності дози. Опромінення проводилося гамма-випроміню­
ванням до дози 10 Мрад при потужності дози 0,02 і 2 Мрад/годину. Показано, що новий радіаційно-стійкий сцинтилятор
UPS-98RH, розроблений у НТК "Інститут монокристалів", має найбільшу радіаційну стійкість у порівнянні з відомими
ПС - SCSN-81T (Kuraray, Японія), BC-408 (Bicron, США), UPS923A (Amcrys-H, Україна) і нечуттєвий до ефектів потуж­
ності дози. Ця якість дозволила використовувати сцинтилятор UPS98RH у критичних зонах детектора CMS.
NEW RADIATION HARD PLASTICSCINTILLATOR UPS-98RH FOR HADRON CALORIMETER
V.G. Senchysyn, V.N. Lebedev, N.P. Khalapova, A.F. Adadurov
A new radiation hard plastic scintillator (PS) UPS98RH based on polystyrene with addition of plastisizer playing role of
diffuse enhancer of oxygen and radiolysis products in the polystyrene matrix. A series of experiments were conducted on
irradiation of different types of PS under different doses and dose rates. A strong dependence have been observed of radiation
damages level on dose rate. Irradiation was made by gamma radiation up to 10 Mrad doses under 0.02 and 2 Mrad/hour dose
rates. It is shown that the new radiation hard scintillator UPS98RH, developed in Institute for scintillating materials have the
most radiation hardness compared to known PS – SCSN-81T (Kuraray, Japan), BC-408 (Bicron, USA), UPS923A (Amcrys-H,
Ukraine) and insensible to dose rate effects. This attribute allowed scintillator UPS98RH using in critical zones of the CMS
detector.
163
_________________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. № 3.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (86), с. 160-163.